高強(qiáng)度外六角螺栓六角螺絲第39卷 Vol. 39 第5期 No. 5 金屬制品 Metal Products doi：10． 3969 / j． issn． 1003 － 4226． 2013． 05． 014 2013 年 10 月 October 2013 緊固件螺栓調(diào)質(zhì)的金相檢驗(yàn) 張先鳴 （ 湖南冷水江天寶實(shí)業(yè)有限公司， 湖南 冷水江 417500） 摘 要 介紹緊固件螺栓調(diào)質(zhì)金相組織及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。闡述常見(jiàn)的調(diào)質(zhì)缺陷組織和熱處理淬火缺陷組織形貌特征 及產(chǎn)生原因。進(jìn)口螺絲在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，可通過(guò)金相檢驗(yàn)判定緊固件成品質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)或確定各種缺陷分布狀況和性 質(zhì)，精制螺栓分析產(chǎn)生缺陷的原因和各種工藝因素對(duì)質(zhì)量的影響，為改進(jìn)工藝提供依據(jù)。 關(guān)鍵詞 緊固件；螺栓；調(diào)質(zhì)處理；金相檢驗(yàn)；組織缺陷；力學(xué)性能 中圖分類(lèi)號(hào) TG156． 6 Metallographic inspection of fastener bolt quenching and tempering ZHANG Xian-ming （ Hunan Lengshuijiang Tianbao Industrial Co． ，Ltd． ，高強(qiáng)度自攻螺釘Lengshuijiang 417500，雙頭螺栓批發(fā)China） Abstract To introduce fastener bolt quenching and tempering microstructure and evaluation standard． The usual pattern feature cause of quenching and tempering defects structure and heat treatment quenching defect structure are explained． In actual production application，fastener finished product quality can be decided，each defect distribution condition and property can be identified by metallographic inspection． The reason of defects production and influence of every process factors on quality are analyzed，which provide basis for process improvement． Keywords fastener； bolt； quenching and tempering treatment； metallographic inspection； structure defect； mechanical property 高強(qiáng)度螺栓經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理（淬火加高溫回火） 具 有良好的綜合力學(xué)性能及較高的強(qiáng)韌性六角螺栓規(guī)格常用的鋼 材為 低、中 碳 優(yōu) 質(zhì) 碳 素 鋼 和 低 合 金 鋼，如 10B21、 SWＲCH35K、雙頭螺栓英文ML35、35、45 （ 生產(chǎn) 8． 8 級(jí)螺栓），40Cr、不銹鋼高強(qiáng)螺栓 SCM435、ML35CrMo、30CrMnSi、40CrMnMo（ 生產(chǎn) 10． 9 級(jí)螺栓），以及 35CrMoV、ML42CrMo、40CrNiMo（ 生產(chǎn) 12． 9級(jí)螺栓）等牌號(hào)［1］。 1 調(diào)質(zhì)金相檢驗(yàn) 調(diào)質(zhì)是將亞共析鋼加熱超過(guò) Ac3 以上 30 ～ 50 ℃ ，當(dāng)工件淬火溫度正常u型絲保溫時(shí)間足夠，且冷卻速 度也較高，過(guò)冷奧氏體在淬火過(guò)程中未發(fā)生分解，則 淬火后得到的組織應(yīng)是板條狀馬氏體和針片狀馬氏 體。在中高溫回火過(guò)程中，馬氏體中析出碳化物，獲 得回火索氏體或回火屈氏體［2］。 1． 1 調(diào)質(zhì)組織與評(píng)定 為確保高強(qiáng)度螺栓淬火時(shí)奧氏體化充分，淬火 組織均勻，無(wú)未溶鐵素體及非馬氏體組織，必須充分 重視淬火態(tài)組織的金相檢驗(yàn)。對(duì) 10． 9 級(jí)及以上高 強(qiáng)度螺栓而言，淬火組織的均勻性尤為重要。國(guó)外 的高強(qiáng)度螺栓熱處理非常重視鋼的充分奧氏體化， 確保其組織的均勻性，以獲得更佳的強(qiáng)韌性配合，保 障螺栓服役時(shí)安全可靠。高強(qiáng)度自攻螺釘國(guó)內(nèi)高強(qiáng)度螺栓制造商對(duì) 此尚未引起足夠重視，普遍存在的問(wèn)題是螺栓淬火 加熱保溫不足，奧氏體化不充分。 評(píng)定調(diào)質(zhì)處理的質(zhì)量一般采用 GB / T 13320— 2007《鋼質(zhì)模鍛件 金 相 組 織 評(píng) 級(jí) 圖 與 評(píng) 定 方 法》。 該標(biāo)準(zhǔn)適用于經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理的結(jié)構(gòu)鋼件，不適用于 脫碳、過(guò)熱、過(guò)燒等組織的評(píng)定。標(biāo)準(zhǔn)要求試樣應(yīng)在 冷態(tài)下用機(jī)械方法制取；若采用熱切時(shí)，u螺栓廠家必須將熱影 響區(qū)完全去除。制樣過(guò)程中，不能出現(xiàn)因受熱而導(dǎo) 致的 組 織 改 變 現(xiàn) 象。試 樣 拋 光 后 用 體 積 百 分 數(shù) 2% ～ 5% 的硝酸酒精溶液侵蝕。 金相組織按 1 ～ 8 級(jí)評(píng)定，1 級(jí)組織更好，精制螺栓8 級(jí)組 織最差。該標(biāo)準(zhǔn)第三組評(píng)級(jí)圖，適用于結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì) 處理件，尤其是高強(qiáng)度螺栓的調(diào)質(zhì)檢驗(yàn)。被評(píng)定的 調(diào)質(zhì)組織介于兩個(gè)級(jí)別之間時(shí)，以下一級(jí)為判定級(jí) 別，例如大于 3 級(jí)小于 4 級(jí)時(shí)，則判為 4 級(jí)。不銹鋼高強(qiáng)螺栓 ·52· 金屬制品 調(diào)質(zhì)的金相組織分析，在光學(xué)顯微鏡下用 500 倍觀察，合格級(jí)別由供需雙方協(xié)商約定，沒(méi)有約定的 以 1 級(jí) ～ 4 級(jí)為合格。生產(chǎn)實(shí)踐表明，在低溫環(huán)境 下服役的螺栓，1 級(jí) ～ 3． 5 級(jí)為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。如果在評(píng) 級(jí)時(shí)有爭(zhēng)議，可以參考力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行判定。 1． 2 螺栓的調(diào)質(zhì)及組織 GB / T 3098． 1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺 釘和螺柱》強(qiáng)調(diào)對(duì) 8． 8 級(jí)及以上產(chǎn)品的材料要求應(yīng)有 足夠的淬透性，以確保螺栓螺紋截面的心部在淬硬狀 態(tài)、回火前獲得體積分?jǐn)?shù)約 90% 的馬氏體。盆式支座地腳螺栓為保證 良好的淬透性，對(duì)于 8． 8 級(jí)、螺紋直徑超過(guò) 20 mm 的 螺栓需采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的合金鋼材料淬火并回火。 淬火后 馬 氏 體 的 粗 細(xì) 可 按 JB / T 9211—2008 《中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼馬氏體等級(jí)》進(jìn)行評(píng)定。 由于奧氏體化溫度不同，馬氏體形態(tài)和大小不一樣。 1 級(jí)屬于奧氏體化溫度偏帶肩雙頭螺柱低，淬火組織是隱針馬氏 體、細(xì)針馬氏體和體積分?jǐn)?shù)不大于 5% 的鐵素體；而 8 級(jí)則屬于過(guò)熱組織，是粗大的板條馬氏體 + 粗片 針馬氏體。正常淬火時(shí)控制在 3 ～ 5 級(jí)，其組織為細(xì) 小的板條馬氏體 + 片狀馬氏體，6 級(jí)具有較高的沖 擊韌性、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，適用于較大規(guī)格且要 求淬透性高的螺栓。圖 1 為 40Cr 鋼板條狀及針狀 馬氏體 4 級(jí)，圖 2 為 45 鋼板條狀及針狀馬氏體 5 級(jí)，圖 3 為 SCM435 鋼板條狀及針狀馬氏體 4 級(jí) ，以 上均為正常淬火組織。 第 39 卷 圖 1 板條狀及針狀馬氏體（40Cr，4 級(jí)） × 1 000 Fig． 1 The board strips and acicular martensite（40Cr，grade four） 回火索氏體組織實(shí)際上是在 α 相基體上分布的 極小顆粒狀碳化物，如圖 4高強(qiáng)度螺栓的生產(chǎn)質(zhì)量缺陷圖 5 所示。什么是高強(qiáng)度螺栓回火溫度根據(jù) 高強(qiáng)螺栓等級(jí)要求，一般在 450 ～ 600 ℃ ，高強(qiáng)度自攻螺釘具體溫度范 圍視鋼的化學(xué)成分有所區(qū)別。因?yàn)楹辖鹪氐募尤?會(huì)減緩馬氏體的分解、碳化物的析出和聚集以及殘余 奧氏體的轉(zhuǎn)變等過(guò)程，回火溫度將移向更高［3］。 2 調(diào)質(zhì)的缺陷組織 2． 1 淬火過(guò)熱組織 淬火加熱溫度偏高致使奧氏體晶粒長(zhǎng)大，淬火 后得到粗大的馬氏體組織，如圖 6 所示。一旦出現(xiàn) 粗大針狀馬氏體，即使采用合理的回火溫度進(jìn)行回 第5 期 張先鳴：緊固件螺栓調(diào)質(zhì)的金相檢驗(yàn) ·53· 圖 5 回火索氏體（3 級(jí)） × 500 Fig． 5 Tempered sorbite（ grade three） 火，也不能獲得較好的綜合力學(xué)性能，具有該組織的 螺栓在使用過(guò)程中極有可能發(fā)生早期斷裂失效。 圖 6 粗大的馬氏體組織（42CrMo，8 級(jí)） × 500 Fig． 6 Coarse martensite structure （42CrMo，grade eight） SWＲCH35K 正常淬火溫度不超過(guò) 870 ℃ 。圖 7 試樣為 920 ℃ 淬火時(shí)，晶粒急劇長(zhǎng)大，不同晶粒內(nèi)平 行的馬氏體位向是不同的，奧氏體化相應(yīng)提高，淬火 后殘余奧氏體相對(duì)多一些。粗大馬氏體組織綜合性 能差，也容易淬裂［4］。 2． 2 淬火欠熱組織 高強(qiáng)度螺栓正常淬火后得到的組織應(yīng)是板條狀 馬氏體和針片狀馬氏體。淬火欠熱是淬火加熱溫度 過(guò)低或保溫不足高強(qiáng)度螺栓的連接是什么！奧氏體未均勻化，導(dǎo)致淬火后的組 織為馬氏體和未溶鐵素體，如圖 8 所示。即使通過(guò) 回火也不能消除鐵素體。 45 鋼在 Ac1 ～ Ac3 保溫，圖 9 鐵素體仍留在基體 內(nèi)。進(jìn)口螺絲同時(shí)由于淬火溫度低，保溫時(shí)間短，奧氏體均勻 化差，什么是高強(qiáng)度螺栓冷卻時(shí)局部發(fā)生屈氏體轉(zhuǎn)變。 2． 3 欠淬透組織 淬火溫度正常且保溫時(shí)間足夠，但冷卻速度不 夠以至于不能淬透，結(jié)果沿工件截面各部位將得到 不同的組織，即使表面是馬氏體，往中心會(huì)逐步出現(xiàn) 非馬氏體組織。非馬氏體組織有屈氏體、貝氏體等， 心部為屈氏體和鐵素體等組織。在低合金鋼中出現(xiàn) 的非馬氏體組織一般不是屈氏體，而是上貝氏體，如 ·54· 金屬制品 圖 10 所示。該組織為馬氏體基體上分布有少量貝 氏體，用金相方法較容易檢驗(yàn)出這種缺陷。 第 39 卷 圖 10 心部組織回火索氏體 + 上貝氏體 × 500 Fig． 10 Center structure tempered sorbite and upper bainite 中碳鋼調(diào)質(zhì)組織形態(tài)取決于淬火態(tài)組織，加熱 不足而殘留在馬氏體組織中的塊狀鐵素體，或冷卻 不足而在晶界處析出網(wǎng)狀或半網(wǎng)狀鐵素體，都是有 害的。 值得注意的是，加熱不足引起的未溶鐵素體與 冷卻不足時(shí)先析出鐵素體在形態(tài)上是有區(qū)別的，前 者呈圓鈍塊狀或厚薄不均勻斷續(xù)網(wǎng)狀（ 圖 11） ，而后 者是新形成的先共析鐵素體，形態(tài)上比較纖細(xì)，雙頭螺栓批發(fā)分布 在奧氏體晶界上（ 圖 12）［5］。雙頭螺栓批發(fā) 圖 12 淬火冷卻不足組織（40Cr） × 500 Fig． 12 Quenching insufficient cooling structure（40Cr） 裂的根本原因。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)， 便引起變形；當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，便造 成開(kāi)裂。只有拉應(yīng)力是使裂紋萌生和擴(kuò)展的必要條 件。淬火裂紋原因可以從兩方面考慮，一是有哪些 因素造成了較大的應(yīng)力；二是材質(zhì)有沒(méi)有缺陷，致使 強(qiáng)度和韌性降低。 3． 1． 1 淬火裂紋特征 （1） 多數(shù)情況下裂紋由表面向心部擴(kuò)展，宏觀 形態(tài)較平直。雙頭螺栓英文 （2） 從宏觀與微觀看裂紋兩側(cè)均無(wú)脫碳，但如 果在氧化性氣氛中進(jìn)行過(guò)高溫回火，則淬火裂紋兩 側(cè)會(huì)有氧化層（ 圖 13） 。 圖 11 淬火欠熱組織（40Cr） × 500 Fig． 11 Quenching under-heating structure（40Cr） 3 常見(jiàn)熱處理淬火缺陷 螺栓調(diào)質(zhì)熱處理工藝中淬火缺陷最為常見(jiàn)，如 硬度不足、變形、開(kāi)裂等。產(chǎn)生缺陷的原因很多，進(jìn)口螺絲需 從各方面分析，金相檢驗(yàn)是常用的方法［6］。 3． 1 淬火裂紋 淬火時(shí)在螺栓中引起的內(nèi)應(yīng)力是造成變形與開(kāi) 圖 13 裂紋兩側(cè)嚴(yán)重脫碳 Fig． 13 Serious decarburization on both sides of crack 3． 1． 2 內(nèi)應(yīng)力增大引發(fā)正常組織淬火裂紋 （1） 設(shè)計(jì)不合理，如有尖角、截面突然變化，易 引起應(yīng)力集中。 （2） 冷卻太強(qiáng)烈，如本應(yīng)采用快速淬火油，卻選 擇了水溶液，精制螺栓不該冷透時(shí)冷透等。 （3） 淬火時(shí)冷卻方式不當(dāng)，淬火后未及時(shí)回火。 第5 期 張先鳴：緊固件螺栓調(diào)質(zhì)的金相檢驗(yàn) ·55· 3． 1． 3 組織缺陷引起淬火裂紋 （1） 淬火溫度偏高，奧氏體晶粒粗大，淬火后形 成較粗大的馬氏體，容易開(kāi)裂。進(jìn)口螺絲特別是粗大的高碳 馬氏體，常伴有顯微裂紋。 （2） 鋼材存在網(wǎng)狀碳化物等脆性相，淬火時(shí)易 沿脆性碳化物網(wǎng)開(kāi)裂。在晶界處有沿晶界分布的碳 化物網(wǎng)絡(luò)，磨削時(shí)也容易磨裂。 （3） 鋼材有折疊或粗大夾雜物等缺陷，淬火時(shí) 易沿此缺陷形成裂紋。 （4） 鋼材中存在嚴(yán)重偏析，淬火后組織不均勻， 內(nèi)應(yīng)力較大且不均勻，容易開(kāi)裂。 （5） 由于緊固件表面脫碳，淬火時(shí)表層體積膨 脹小，受到兩相應(yīng)力，容易形成龜裂。 3． 2 淬火硬度不足 （1） 加熱溫度不足，冷卻時(shí)形成屈氏體，當(dāng)屈氏 體很少時(shí)，盆式支座地腳螺栓硬度無(wú)明顯變化，但金相組織容易鑒別。 （2） 淬火冷卻速度不足，淬火組織中除馬氏體 外，盆式支座地腳螺栓還有屈氏體或貝氏體組織。屈氏體或貝氏體越 多，硬度越低。上海地腳螺栓廠家 （3） 表面脫碳，淬火時(shí)不易形成馬氏體，或形成 低碳馬氏體，如圖 14 所示。 （4） 淬螺柱火過(guò)熱，過(guò)熱組織馬氏體粗大，殘余奧氏 體量明顯增多，硬度也降低。 圖 14 表面脫碳鐵素體和低碳馬氏體 × 200 Fig． 14 Surface decarburization ferrite and low carbon martensite 螺栓淬火回火后性能達(dá)不到技術(shù)要求，影響因素 是多方 面 的，對(duì) 其 進(jìn) 行 質(zhì) 量 分 析 是 一 個(gè) 復(fù) 雜 的 過(guò) 程［7 －8］。這里只是強(qiáng)調(diào)金相檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意有無(wú)影響 強(qiáng)韌性的不利因素外六角螺絲尺寸規(guī)格表諸如晶粒粗大、非金屬夾雜物、網(wǎng) 狀滲碳體、網(wǎng)狀鐵素體、淬火組織中的非馬氏體組織 以及低倍檢測(cè)中的顯微偏析造成的組織不均勻等。 4 結(jié)語(yǔ) 金相檢驗(yàn)的目的一方面是為了判定螺栓成品的 質(zhì)量是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；另一方面是通過(guò)觀察 確定各種缺陷的分布狀況和性質(zhì)，u螺栓廠家分析產(chǎn)生缺陷的 原因和各種工藝因素對(duì)質(zhì)量的影響，為改進(jìn)工藝和 試驗(yàn)研究提供數(shù)據(jù)，這是不可或缺的手段。 參考文獻(xiàn)（ Ｒeferences） ［1］ 張先鳴． 我國(guó)緊固件行業(yè)熱處理技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］． 金屬制品，2008（6） ：53 － 57． ZHANG Xian-ming． Heat treatment technology present situation and perspective in China fastener industry［J］． Metal Products，2008（6） ：53 － 57． ［2］ 大連工學(xué)院《金屬學(xué)及熱處理》編寫(xiě)小組． 金屬學(xué)及熱 處理［M］． 北京：科學(xué)出版社，上海地腳螺栓廠家1977． Dalian Institute of Technology Metal Science and Heat Treatment Writing Team． Metal Science and Heat Treatment［M］． Beijing：Science Press，雙頭螺栓批發(fā)1977． ［3］ 崔忠圻． 金屬學(xué)及熱處理原理［M］． 哈爾濱：哈爾濱工 業(yè)大學(xué)出版社，1998． CUI Zhong-qi． Principle of Metallography and Heat Treatment［M］． Harbin： Harbin Institute of Technology，雙頭螺栓英文雙頭螺栓英文1998． ［4］ 任頌贊，張靜江，陳質(zhì)如，等． 鋼鐵金相圖譜［M］． 上 海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2003． ＲEN Song-zan，ZHANG Jing-jiang，CHEN Zhi-ru，et al． Steel Metallographic Atlas［M］． Shanghai： Shanghai Science and Technology Literature Press，2003． ［5］ 李炯輝，什么是高強(qiáng)度螺栓林德成，雙頭螺栓英文丁惠麟，等． 金屬材料金相圖譜［M］． 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